鄭相立，林典欽※，鄭卓韜，陳新輝，王雙喜

（1.汕頭輕工裝備研究院，廣東汕頭 515063；2.汕頭大學，廣東汕頭 515063）

0 引言

隨著消費者對觸摸屏的質量要求不斷提高，傳統(tǒng)的人工檢測方式由于存在工作強度大、容易發(fā)生漏檢和誤檢等缺點，已經(jīng)無法滿足觸摸屏玻璃高精度、高效率的質量檢測需求[1]。機器視覺利用光學系統(tǒng)和圖像處理技術來代替人的眼睛實現(xiàn)對產(chǎn)品的高精度快速檢測，目前已經(jīng)逐漸應用于觸摸屏玻璃的生產(chǎn)質量檢測[2]。在觸摸屏玻璃貼片的生產(chǎn)過程中，由于人為原因、印刷缺陷容易混入一些不合格的原料或者誤將玻璃反向放置，導致生產(chǎn)出不合格的觸摸屏玻璃貼片，增加了產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

目前國內(nèi)外均有公司和高校在研究觸摸屏的AOI 系統(tǒng)，國外以韓國、日本和以色列為主[3]。國內(nèi)近年來出現(xiàn)了一批可穩(wěn)定應用于觸摸屏生產(chǎn)線的AOI 檢測設備。隨著企業(yè)需求的增加，未來觸摸屏AOI 檢測設備將朝著高精密、高效率和智能化的方向發(fā)展[4]。

本文針對觸摸屏玻璃檢測誤差大、效率低的難題，設計了一種基于機器視覺的雙工位玻璃貼片AOI 系統(tǒng)，用于取代人工進行觸摸屏玻璃的反向放置檢測和字符識別，可有效地防止觸摸屏玻璃的混料，從而降低玻璃貼片的廢品率。

1 AOI系統(tǒng)方案設計

在進行貼片之前，玻璃貼片機需要對觸摸屏玻璃進行反向檢測和字符識別，確保觸摸屏玻璃未發(fā)生反向放置。本系統(tǒng)的檢測流程如下：當玻璃貼片機檢測到觸摸屏玻璃來料時，發(fā)送來料信號至PLC，再傳遞至工控機，工控機接收到信號后觸發(fā)相機拍照，并進行圖像處理，實現(xiàn)反向放置檢測和字符識別，最后根據(jù)檢測結果發(fā)送OK 或者NG 信號至PLC，如果信號為NG則由PLC控制機器停止，人為糾正玻璃放置，信號為OK則雙工位玻璃貼片機繼續(xù)運行。

本系統(tǒng)通過在玻璃貼片機的2 個生產(chǎn)工位上方架設機器視覺檢測系統(tǒng)，同時實現(xiàn)2 個工位玻璃貼片的反向放置檢測與字符識別，系統(tǒng)的具體機械結構如圖1 所示。機器視覺硬件系統(tǒng)安裝在可調(diào)節(jié)的X、Y 軸手動位移平臺上，可根據(jù)產(chǎn)品實際檢測需求調(diào)節(jié)機器視覺硬件系統(tǒng)與產(chǎn)品的精確對位，配合Z 軸實現(xiàn)相機的精確對焦，提高產(chǎn)品檢測的可靠性。

機器視覺系統(tǒng)通常包括高精度工業(yè)相機、光學鏡頭、光源，合理地選型相機、鏡頭、光源是機器視覺系統(tǒng)滿足工作要求的必要條件[5]。不同觸摸屏玻璃的產(chǎn)品厚度不一樣，而且檢測的字符尺寸極小，對機器視覺系統(tǒng)的景深參數(shù)要求較高。遠心鏡頭能夠提高圖像精度和減少圖像畸變[6]。選用遠心鏡頭可以適應多種不同厚度的觸摸屏玻璃產(chǎn)品。本系統(tǒng)選用物方遠心鏡頭，視場為4.8 mm×3.6 mm，放大倍率為1×，物距為420 mm，景深為3 mm，配合靶面尺寸約為8.47 mm、200萬像素的CCD 相機，可覆蓋檢測的觸摸屏玻璃的字符區(qū)域，像素精度為0.003 mm。本系統(tǒng)采用點光源配合遠心鏡頭使用，實現(xiàn)字符的高精度定位和識別。

圖1 雙工位玻璃貼片AOI 系統(tǒng)機械結構

PLC 憑借其環(huán)境適應性強、控制實時性好、可靠性高的特點廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場[7]。本文設計的雙工位玻璃貼片AOI系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由工控機+PLC 組成，工控機負責接受來自PLC 的信號，觸發(fā)機器視覺系統(tǒng)拍照處理，并將機器視覺系統(tǒng)處理的結果反饋至PLC。PLC則負責接收雙工位玻璃貼片機的開關輸入信號和控制相關元器件的動作，工控機與PLC 采用RS-485接口連接，通訊方式為自由口通訊。

2 AOI軟件設計

機器視覺軟件通常采用C++或者C#進行界面設計，結合HALCON算法庫或者OPENCV算法庫進行圖像處理[8]。本系統(tǒng)采用VC++進行軟件設計，軟件主界面如圖2所示。軟件設計有兩個獨立的線程分別實時處理兩個工位獲得的圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多塊玻璃的同時檢測與識別。

圖2 機器視覺軟件主界面

軟件設置有產(chǎn)品學習功能，進行產(chǎn)品檢測之前需要先進行產(chǎn)品學習，得到用于產(chǎn)品檢測的標準模板，記錄產(chǎn)品相關數(shù)據(jù)，產(chǎn)品學習功能獲取的標準模板如圖3所示。首先拍下表面光潔的標準玻璃樣品圖像，用戶通過框選ROI 區(qū)域確定檢測目標，建立ROI 區(qū)域模板，作為檢測時模板匹配的模板，并記錄用戶設置的相關參數(shù)數(shù)據(jù)。用戶設置的具體參數(shù)數(shù)據(jù)包括相機的曝光時間、產(chǎn)品名稱和檢測類型等，設置完成后數(shù)據(jù)自動保存至數(shù)據(jù)庫中，當用戶選擇相應的產(chǎn)品時，軟件將根據(jù)產(chǎn)品名稱從數(shù)據(jù)庫中讀取產(chǎn)品的參數(shù)數(shù)據(jù)，而不需要用戶再次輸入數(shù)據(jù)，提高了軟件的界面友好程度。

圖3 產(chǎn)品學習功能獲取的標準模板

本文采用模板匹配的方式進行觸摸屏玻璃反向放置的檢測。模板匹配是一種根據(jù)現(xiàn)有模板在另一幅圖像中尋找相應匹配模板的方法，具有抗干擾性強、適用面廣、效率高的特點[9]。本系統(tǒng)完成產(chǎn)品學習獲取到模板后，選擇相應的玻璃產(chǎn)品即可開始檢測。檢測時先采集待檢測的玻璃圖像，之后通過模板匹配尋找產(chǎn)品學習時設置的模板，若無法匹配到模板則說明玻璃反向放置，工控機輸出NG信號至PLC，PLC控制機器停止生產(chǎn)。若匹配到模板，則說明產(chǎn)品未發(fā)生反向放置，繼續(xù)進行OCR字符識別，用于確定生產(chǎn)過程是否混入不同型號的玻璃。

3 字符識別算法設計

OCR 字符識別過程包括字符區(qū)域提取、字符區(qū)域校正和字符識別等過程。在字符區(qū)域提取過程中，首先進行模板匹配，得到采集圖像的ROI 區(qū)域偏移角度，之后根據(jù)偏移角度進行區(qū)域校正。為防止圖像中字符背景不均勻的情況發(fā)生，采用動態(tài)閾值的方式提取字符區(qū)域，并離散字符區(qū)域，之后根據(jù)像素面積大小篩選出字符，并按列坐標排列字符，最后通過編號算法消除一些多余的點狀非字符區(qū)域，防止誤識別。

完成字符區(qū)域提取后則進行字符區(qū)域的校正，之后將區(qū)域粘連成片狀區(qū)域，并擬合成橢圓，從而計算出旋轉角度，實現(xiàn)字符的旋轉校正。最后利用region_to_bin 算子將字符區(qū)域轉化為白底黑字，以便利用HALCON 字符庫進行字符識別。

字符識別過程中，首先讀取專用的字符識別庫，之后編寫字符識別算法進行字符識別，將字符以字符串的形式輸出，完成字符識別，字符識別效果如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品字符識別效果

4 結束語

本文針對玻璃貼片生產(chǎn)過程中容易反向放置和混料的難題設計了基于機器視覺的雙工位玻璃貼片AOI 系統(tǒng)，系統(tǒng)現(xiàn)場應用效果如圖5 所示。經(jīng)應用表明，該系統(tǒng)檢測速度為200 ms，可實現(xiàn)兩個工位的觸摸屏玻璃貼片同時檢測，能夠實現(xiàn)觸摸屏玻璃的反向放置檢測和字符識別，檢測效率與雙工位玻璃貼片機原有的生產(chǎn)節(jié)拍相匹配，有效地降低了雙工位玻璃貼片機生產(chǎn)的貼片的廢品率。

圖5 AOI系統(tǒng)現(xiàn)場應用圖